Sykkelens usungne helter, vi synes det er på tide at eiker får den respekten som skal til
Disse tynne trådene utfører en ubøyelig tøff jobb, og blir strukket og komprimert gjentatte ganger med hver eneste omdreining av hjulene våre. De bærer også akselerasjonskreftene ved å tråkke fra nav til hjulfelg og overfører også bremsekrefter. Deres rolle i det faktum at vi i det hele tatt kan sykle er nesten magisk – slike tynne tråder som tåler så store belastninger. Så vi følte at det var på høy tid at den ydmyke snakken tok litt æren, der en hel belastning er på vei.
'Det geniale med eikehjulet er at det kan overføre de ofte svært store kreftene som skapes av rytteren, sykkelen og varierende veidekke til disse tynne stengene, som hver blir systematisk komprimert når hjulet svinger og belastningene overføres fra en snakket med en annen, og slik fortsetter det, sier professor Mark Miodownik, direktør for Institute of Making ved University College London, forfatter av Stuff Matters, TV-programleder og ivrig syklist. Han fortsetter: «Det er en vakker måte å optimalisere vekten, kostnadene og ytelsen til et hjul på.»
Eiker, når de er i spenning, avstiver i hovedsak felgen ved å bruke navet som sentr alt anker. I et perfekt scenario trekker hver eiker med lik spenning for å fordele belastningen jevnt over hele hjulet samtidig som den holder felgen rett og sirkulær. Eikene må støtte hjulet mot sidebøyning og deformasjon av felgen og også motstå at hjulet effektivt blir klemt av vertikal belastning (radial kompresjon). Ingen liten oppgave. Det er ikke så rart at svært få andre løsninger har blitt utforsket siden fremkomsten av hjulet.
Eikerspenning
Nå begynner ting å bli teknisk, og du vil ikke være alene hvis det som følger er litt forvirrende og kontraintuitivt. Det er stor uenighet om hvorvidt en sykkel faktisk henger fra de øvre eikene (de over navet når du ser sykkelen fra siden) eller snarere blir støttet av de nedre, og fungerer som små søyler.«Det siste synet, merkelig som det virker, er definitivt tilfelle,» sier Jim Papadopoulos fra Northeastern University's College of Engineering i Boston, USA, og medforfatteren av Bicycling Science.
Selv om det er lett å tro at en sykkeleiker rett og slett ville kollapse under vekten av sykkel og rytter, fortsetter han med å forklare at spenningen som skapes i en eiker under hjulbyggingsprosessen (k alt 'forspenning') er det som gjør at de nedre eikene tåler belastningen uten å knekke seg, slik de ville gjort hvis det ikke var forspenning. 'Hver eiker på det ubelastede hjulet har en spenning i størrelsesorden 100lb [445N]. Når akselen presses mot bakken med en kraft på 100lb, er den eneste signifikante effekten på eikerspenningen å redusere de rett under navet - typisk reduserer man til ca. 50lb og eiker til hver side av den reduserer til ca. 75lb. Dette er nøyaktig hva man ville se med solide treeiker som et gammelt vognhjul - den nederste ville bære 50lb og de på hver side av den ville bære 25lb. Forskjellen med trådeiker er at en trådeiker ikke kan bære en kompresjonsbelastning – den vil kollapse. Så alle eiker er geni alt forspent. En ledning kan ikke bære en kompresjonsbelastning på 50lb, bortsett fra når den allerede har en spenningsbelastning som overstiger det.
‘Selvfølgelig vil et sykkelhjul kollapse hvis de øvre eller horisontale eikene fjernes, legger Papadopoulos til. «Men det er i hovedsak fordi den endrede strukturen har en helt annen belastningsbane, og dessuten ikke er i stand til å levere den nødvendige forspenningen. Vi kan ikke bruke den kollapsen til å konkludere med at det typiske hjulet bærer last gjennom de øvre eikene.’ Hvis det får hodet til å snurre, er du ikke alene. Så la oss gå videre til det mer enkle området med eikermateriale.
Ståleiker
Eiker er hovedsakelig laget av stål, et materialevalg som, som Miodownik forteller oss, 'i utgangspunktet kommer ned på evnen til å ha en pålitelig gjenge. Ståltråd er flott fordi selv med en veldig liten mengde festeområde, for eksempel der nippelen holder eiken ved felgen, kan du legge ganske mye spenning på dem uten å strippe tråden. Rustfritt stål er det ideelle materialet siden det har den rette blandingen av høy styrke og lav vekt, samtidig som det er rimelig.’
Rustfritt stål har vært det foretrukne metallet for eiker siden slutten av 1800-tallet på grunn av dets høye strekkfasthet, som gjør at eikene forblir relativt tynne og lette mens de takler kreftene som er plassert på dem. "Eiker av mykt stål må være dobbelt så tunge og tykke," sier Chris Hornzee-Jones, direktør for konstruksjonsingeniører Aerotrope. Han designet den banebrytende Lotus-terrengsykkelen i karbonfiber og jobbet på et av de største strekk-eiker-hjulene som noen gang er laget – strukturen med en diameter på 60 meter opphengt under taket på Millennium Dome, brukt som en plattform for luftartister. «Ved å tilsette krom og molybden i jernet og karbonet i bløtt stål, er den resulterende rustfrie stållegeringen mye mer motstandsdyktig mot tretthet.’
Tretthet er en eikes nemesis. Hvis du tror at firehjulingene dine blir gjentatte ganger belastet av repetisjonen av pedalslagene dine, så synd på eikene dine, som blir slått med hver eneste hjulomdreining. Hver eiker i hjulet kommer under trykkbelastning bare for brøkdelen av et sekund som den er rett under navet, og for det øyeblikket blir den komprimert før trykket faller og den kan gå tilbake til normal lengde. Det er en ubarmhjertig syklus som bokstavelig t alt kan være å fjerne et dårlig bygget hjul.
'Et hjul er som en slitsom tredemølle for eiker, som gjøres desto vanskeligere for dem ved å ha lagt til en tråd i den ene enden og [i de fleste tilfeller] en bøy og/eller hode i den andre,' sier Hornzee-Jones. "Tråden er en konsentrator av stress, og lastoverføringen skjer hovedsakelig gjennom de første gjengene. Dessuten er brystvorten relativt stiv, og når den prøver å sitte vinkelrett på felgen, er den sjelden perfekt på linje med vinkelen eiken kommer til, noe som kan være årsaken til ekstra konsentrert stress. I den andre enden bøyer J-bøyen seg minutt, og etter hundretusenvis av normale hjulrotasjoner kan små overflatefeil, bare mikrometer dype og helt umerkelige for det menneskelige øyet, begynne å åpne seg. Det er en treg prosess i begynnelsen, men vil til slutt føre til at eiken går i stykker.’
Aluminium-eiker
Stål er imidlertid ikke det eneste materialet som brukes til eiker. Mavic og Campagnolo (samt Campagnolos søsterselskap Fulcrum) har lenge vært talsmenn for aluminiumseiker. Aluminium har en tredjedel av tettheten til stål, men omtrent en tredjedel av stivheten også, så eikene må være tykkere, noe som betyr at de potensielt er mindre aerodynamiske, krever brystvorter med større diameter og, senere, større hull i felgene, som kan redusere felgstyrke og stivhet. Aluminiumeiker har også en tendens til å bruke en rett-trekk-design, da en J-bøyning i aluminium med stor sannsynlighet vil svikte under stress.
En annen begrensning er at aluminium ikke holder en tråd like lett. Mavics løsning er å tre brystvortene direkte inn i felgen, i stedet for på eiken. Campagnolo foreslår at den velger aluminiumeiker som veier det samme som stålversjoner, men til sammenligning forbedrer kjørefølelsen til hjulene, men dette er en stort sett subjektiv sak der eiker spiller bare én rolle, med dekk, felger og nav som også er viktige aktører, enn si resten av sykkelen.
Gitt de ulike påkjenningene som eikene tåler, virker kanskje ikke karbonfiber som et sannsynlig valg i det hele tatt, men Mavic, sammen med flere andre high-end hjulmerker, som Lightweight og Reynolds for å nevne to, har funnet måter for å utnytte strekkstyrken i eiker, med åpenbare vektbesparelser. Mavics R-Sys SLR, for eksempel, bruker hule karbonrør for å gi stivhet under spenning og motstand mot kompresjon.«Eikerstrekningen er mye lavere enn stål eller legering fordi karbon er stivere», sier Mavics Michel Lethenet. «Som rør, motstår de kompresjon, noe som bidrar til å opprettholde stivheten til hjulet, selv om det kreves noen metalldeler, som er festet i hver ende for å lage festene ved felgen og navet.» En alternativ metode brukes i Mavics Cosmic Carbone Ultimate, der bladede karbon-eiker går fra den ene siden av hjulet til den andre, kobles til navflensen og krysser andre eiker underveis.
Truth from spin
Det er noen få andre deler av mottatt sykkelvisdom knyttet til eiker som Peter Marchment, materialforsker og direktør for Hunt Bike Wheels, gjerne fordriver. "Et hjul som bruker en dypere felg med kortere eiker blir ofte sett på som "sterkere", men dette er vanligvis på grunn av den iboende ekstra stivheten i felgen, sier han.«Mange tror også at en høyere eikerspenning betyr at du får et stivere hjul, men dette er ikke tilfelle. Hjulstivhet påvirkes av mange ting bortsett fra spenningen alene, inkludert eikertall, avstivningsvinkel og felgdybde.
Faktisk vil en eiker forlenges like mye når den er belastet, uavhengig av forspenningen som påføres, noe som betyr at økt eikerspenning ikke gjør hjulet stivere.» Marchment fortsetter: «Å sette eikene under riktig spenning er avgjørende. Ved ekstremt høye spenninger er felgen og eikene mer utsatt for å bli skadet fordi de effektivt blir forhåndsbelastet med høy kraft. Men lave eikerspenninger er også et problem fordi brystvorten er mer sannsynlig å løsne [slappe av] når de blir avstresset gjennom sammenstøt eller veivibrasjoner, noe som får hjulet til å gå ut av sannhet.’
Uansett spenning og mønster, er det et stort utvalg av eiker å velge mellom, for ikke å nevne mange variasjoner i kvaliteten på ledningen de er laget av. Sapim, en av de ledende eikerprodusentene, produserer 300 millioner eiker i året, og handler rundt for å opprettholde kvalitet og være konkurransedyktig på tvers av produktutvalget. "Seksti til 70 prosent av prisen på en vanlig eiker kan ligge i materialet, så det er viktig å få det riktig, men det viktigste for alle eikene våre er ytelsen til ledningen," sier Sapims salgssjef, Klaus Grüter. «Vi ser etter en ledning som er lys og skinnende og som har en strekkstyrke på 1 000 til 1 050 N/mm2 med gode utmattingsdata og viktigere, utmerket korrosjonsbestandighet.»
Grüter forteller oss at prøver er laboratorietestet for strekkfasthet, bøye- og torsjonsmotstand. Når den er akseptert, blir tråden fra spolene rettet av maskin og kuttet. Vanlig tråd kan også gjøres til eiker (hvor den sentrale delen er gjort smalere) ved å trekke ledningen gjennom en dyse. Når eiken er støtt, smiddes hodet på eiken og J-benden og tråden i den andre enden rulles (ikke kuttet). Ferdige eiker inspiseres både av maskinsynssystemer og av menneskelig øye og hånd. Én maskin er i stand til å lage 20 000 butted eiker om dagen, noe som forklarer hvorfor ulike arbeidskostnader har liten innvirkning på prisen på en ferdig eiker og hvorfor produsenter over hele verden kan selge til lignende priser.
Men hvorfor slå en eiker likevel? Jonathan Day fra Strada Wheels forklarer: Butted eiker er bedre til å håndtere dreiemoment enn vanlig gauge. De er bredere i hjulets plan, som er retningen til torsjonskraften, så det er mer materiale for å motstå det. Dessuten bøyer de seg litt mer i det vinkelrette planet, så de er bedre til å fordele kompresjonsbelastningen over hjulet.’
eikermønster
Det tradisjonelle talemønsteret til et sykkelhjul bestod av 32 (eller noen ganger 36) eiker, krysset tre ganger. Det sammenvevde mønsteret av eikene i et tradisjonelt snøret hjul, langt fra å være bare et ganske kaleidoskopisk arrangement, er faktisk en funksjonell del av hjuldesignet.
Når det gjelder lateral stivhet, lar punktene der eikene krysser hverandre, hver enkelt støtte seg mot hverandre når den settes under spenning, samt støtte den når den komprimeres. Den viktigste rollen til snøremønsteret med tre kryss er i et bakhjul, hvor eikene skal overføre pedalkraft fra navet. I dette tilfellet belastes eikene med mye større torsjonsbelastninger takket være vridningskraften fra drivverket. Eiker på kassettsiden, som forlater navet tangentielt, overfører en roterende kraft (moment) fra navet til felgen. Radielle eiker (som følger en bane fra midten av navet direkte til felgen, uten å krysse en annen) er mye mindre i stand til å takle denne typen belastning og vil ha større sannsynlighet for å svikte.
Når dreiemoment ikke er et problem, for eksempel på et forhjul med felgbremser, er det fornuftig å bruke radielle eiker. Dette sparer vekt, da eikene kan være kortere og det trengs færre for å lage et sidestivt hjul. Det ser bra ut også. Skivebremser forårsaker imidlertid betydelig torsjonsbelastning, noe som gjør radial eiker nesten umulig. "Å få snøremønsteret riktig er nøkkelen fordi eiker deler kompresjonsbelastningen ved å klemme mot naboene de krysser, så eiker bør snøres for å være ledere eller tilhengere," sier Day. «Du må sørge for at en ledende eiker tar belastningen først på drivsiden. På et 32-eikers hjul vil du ha 16 ledende eiker for å dele lasten. Hvis du får feil snøring, vil du ende opp med bare åtte som gjør jobben.’
Bemerkelsesverdig nok har talemønstre forblitt et av de minst utfordrede aspektene ved hjuldesign, til tross for noen massive sprang fremover i materialer og produksjonsteknologi de siste tiårene. Det er en virkelig utprøvd metodikk, og som det sies, hvis den ikke er i stykker…
